CN113669201B - 一种风电机组极端条件下的极限载荷控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种风电机组极端条件下的极限载荷控制方法，包括以下步骤：采集某时刻发电机转矩信号、风轮转速信号和风向信号并计算风向信号的导数；降低风电机组中发电机转矩，记录仿真风电机组极限载荷，重复上述步骤，比较得出某时刻风向信号、风向信号导数、发电机转矩信号和风轮转速信号中最小风电机组极限载荷下发电机转矩变量；重复上述步骤，收集每个时刻风向信号、风向信号导数、发电机转矩信号和风轮转速信号中最小风电机组极限载荷下发电机转矩变量；当实际风电机组出现极端条件时，以风向信号、风向信号导数、发电机转矩信号和风轮转速信号确定发电机转矩变量，以发电机转矩变量降低发电机实际转矩。本发明能减少发电机组的极限载荷。
Description
技术领域
本发明属于风力发电技术领域，具体属于一种风电机组极端条件下的极限载荷控制方法。
背景技术
风力发电机组是一个涉及空气动力学、工程力学、结构动力学、机械、电气、控制理论等多学科的复杂系统，在风机运行过程中，极端条件如在一个阵风周期内，风速上升ΔV、风向变化Δθ下，风机由于惯性较大以及结构动态响应等，易发生较大的叶片变形和极限载荷的发生。风电机组的载荷主要来源是气动载荷、重力载荷、惯性载荷，载荷的大小直接关系到机组的安全性和制造成本。风电机组的极限载荷一般发生在故障停机、极端风速等极端特殊条件下。设置合理的控制参数和控制逻辑，可有效降低机组的极限载荷，而极限载荷的降低可以有效的提高机组发电性能、提质增效和降低制造成本。
机组设计评估阶段，参考相关的风电设计标准，必须考虑在风电机组设计寿命期限内可能出现的所有极端条件和一般可能性，如极端阵风或极端湍流风、电网失电、变桨故障等可能发生的情况。极限载荷过大时，必须对风电机组的各子系统和零部件进行加强，才能保证零部件不发生失效或破坏，会限制机组的风轮直径和制造成本等。因此合理的设计和研究风电机组的故障条件下，特别是部分极端条件下的降载控制策略，有效降低机组的极限载荷，对风电机组的最优化选型和成本控制大有裨益。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种风电机组极端条件下的极限载荷控制方法，解决目前风电机组的极限载荷较大，限制机组的风轮直径和制造成本的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种风电机组极端条件下的极限载荷控制方法，包括以下步骤：
采集某时刻发电机转矩信号、风轮转速信号和风向信号并计算风向信号的导数；接着降低风电机组中发电机的转矩，记录仿真风电机组的极限载荷，
重复上述步骤，比较得出某时刻风向信号、风向信号导数、发电机转矩信号和风轮转速信号中最小风电机组极限载荷下的发电机转矩变量；
依次重复上述步骤，收集每个时刻的风向信号、风向信号导数、发电机转矩信号和风轮转速信号中最小风电机组极限载荷下的发电机转矩变量；
当实际风电机组出现极端条件时，根据风向信号、风向信号导数、发电机转矩信号和风轮转速信号确定发电机转矩变量，根据发电机转矩变量降低发电机实际转矩，从而降低风电机组的极限载荷。
进一步的，根据风向信号、风向信号导数、发电机转矩信号和风轮转速信号确定发电机转矩变量需通过触发条件启动，所述触发条件包括在i时刻风向信号θx_i的导数
且同时刻风速信号Vx_i的导数dVx_i>1.5、轴向机舱振动加速度acc>0、风轮转速信号导数dΩx>0、发电机转矩信号Nx导数dNx>0。
进一步的，轴向机舱振动加速度acc、风轮转速信号Ωx和发电机转矩信号Nx的采集周期与风向信号θx和风速信号Vx的采集周期相同。
进一步的，依次重复上述步骤，收集每个时刻的风向信号、风向信号导数、发电机转矩信号和风轮转速信号中最小风电机组极限载荷下的发电机转矩变量的具体步骤如下：
依次重复上述步骤，收集每个时刻的风向信号、风向信号导数、发电机转矩信号和风轮转速信号，每个时刻的风向信号、风向信号导数、发电机转矩信号和风轮转速信号为独立的参考值，每个时刻中最小风电机组极限载荷下的发电机转矩变量为参考变化量；
收集若干个参考值和每个参考值对应的参考变化量构成参考控制表，所述参考控制表用于实际控制风电机组时，提供发电机转矩变量。
进一步的，所述当实际风电机组出现极端条件时，根据风向信号、风向信号导数、发电机转矩信号和风轮转速信号确定发电机转矩变量，根据发电机转矩变量降低发电机实际转矩，从而降低风电机组的极限载荷的具体步骤如下：
当实际风电机组出现极端条件时，根据实际风电机组的风向信号、风向信号导数、发电机转矩信号和风轮转速信号对应参考控制表中的参考值，确定对应的参考变化量，根据参考变化量确定发电机实际转矩值，完成风电机组的极限载荷控制，重新进入原控制模式。
进一步的，依次重复上述步骤，收集每个时刻的风向信号、风向信号导数、发电机转矩信号和风轮转速信号中最小风电机组极限载荷下的发电机转矩变量，还包括直至风电机组的转速达到风电机组的超速保护值N4停止。
进一步的，调节发电机实际转矩的公式如下：
Ti＝Nx_i-ΔTi
式中：Ti为调节完成的发电机实际转矩值，Nx_i为原控制模式下发电机转矩值，ΔTi为发电机转矩变量。
进一步的，所述风电机组的极端条件为在时刻t时，风速V1在时间T内增加ΔV，同时风向变化Δθ，T、ΔV和Δθ均需根据标准定义。
进一步的，根据发电机转矩变量降低发电机实际转矩，从而降低风电机组的极限载荷，还包括持续时间T控后，风电机组恢复原控制模式，所述时间T控＜10s。
进一步的，所述风电机组极端条件下极限载荷控制方法通过GH Bladed仿真计算软件进行极限载荷仿真。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明提供了一种风电机组极端条件下的极限载荷控制方法，在极端阵风条件下，特别是风速和风向在较短的时间内存在较大变化的极端情况时，风轮由于自身惯性，难以实时的在极端阵风下的保持最佳的状态。风速和风向的突变，易产生失速和明显增加的极限载荷，作为风电机组的主要结构部件，支撑结构的动态响应也在一定程度上影响或决定了机组各零部件极限载荷的大小、净空控制、振动情况等。风速的增加将增加风轮的推力，对风电机组的支撑结构而言，则意味着变形增大，极限载荷和最小净空极易发生。通过调节发电机转矩，也就是调节机组负载，合理的设置负载的变化，可以有效的减小推力增加对支撑结构的影响，从而减小极限载荷和最小净空的发生，收集多组风向信号、风向信号导数、发电机转矩信号和风轮转速信号对应的最小载荷下的发电机转矩变量，在实际控制实际发电机组时，直接根据参考量即可确定发电机转矩的降低值，从而减少发电机组的极限载荷，使机组的风轮直径不再限制过多，制造成本更低，经济效益高。
进一步的，原有控制方法是采用恒功率控制或者恒转矩控制，都是以转速、功率为变量进行调节，对于极端工况，引入风向信号及延伸量、机舱加速度信号等控制信号对极端工况下易出现极限载荷的情况通过调节发电机转矩进行控制，控制的主要思路是在极端风速、风向上升阶段，适当的降低发电机转矩可以有效降低负载、减小支撑结构的动态响应，进而降低极限载荷。
进一步的，原有的变桨控制、解耦控制各项参数如Kp和Ki，均已属于最优的控制参数，对极端工况下短时的极端状态，通过设置触发条件，有针对性的对该极端工况下的极限载荷进行控制，同时不影响机组正常工况下的控制。
进一步的，选择风向信号、信号导数或信号变化率、发电机转矩信号和风轮转速信号进行设定触发本发明调节的必要条件，可以避免本发明对机组非特定工况的影响。上述信号为机组运行时正常采集的信号。
进一步的，本方法通过触发条件进行启动，在不影响原控制模式下的变桨控制Kp和KI、解耦控制Kp和KI、转矩控制Kp和KI的情况下，触发条件启动后，能欧突遇阵风，风速增加导致推力增加、叶片变形增大，触发条件启动后，本发明通过降低转矩负载可以有效减小支撑结构的动态结构响应，对抑制净空和极限载荷有较好的效果。
进一步的，所有时刻的风向信号、风向信号导数、发电机转矩信号和风轮转速信号以及对应时刻最小极限载荷下的发电机转矩变量列为参考控制表，在风电机组触发极限阵风控制模式时，直接参照参考控制表，依据风向信号和风向信号导数以及风电机组中发电机转矩信号和风轮转速信号，从而确定发电机转矩的变化量，方便快捷，在降低风电机组极限载荷的同时工作效率更高。
附图说明
图1为极端阵风变化形式的曲线图；
图2为原机组控制逻辑模式的曲线图；
图3为机组在极端阵风下的新控制模式的曲线图；
图4为机组的原控制模式和本发明的控制模式对比曲线图；
图5为新控制模式和原控制模式下的叶根Mxy极限载荷对比曲线图；
图6为新控制模式和原控制模式下的旋转轮毂Myz极限载荷对比曲线图；
图7为新控制模式和原控制模式下的偏航轴承位置Mxy极限载荷对比曲线图；
图8为新控制模式和原控制模式下的塔顶前后方向位移对比曲线图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
本发明提供风电机组极端条件下的极限载荷控制方法，极端阵风条件下，特别是风速和风向在较短的时间内存在较大变化的极端情况时，风轮由于自身惯性，难以实时的在极端阵风下的保持最佳的状态。风速和风向的突变，易产生失速和明显增加的极限载荷，作为风电机组的主要结构部件，支撑结构的动态响应也在一定程度上影响或决定了机组各零部件极限载荷的大小、净空控制、振动情况等。
风速的增加将增加风轮的推力，对支撑结构而言，则意味着变形增大，极限载荷和最小净空极易发生。通过调节发电机转矩，也就是调节机组负载，合理的设置负载的变化，可以有效的减小推力增加对支撑结构的影响，从而减小极限载荷和最小净空的发生。
本发明提供的极限载荷控制方法，遵循虚工原理：
M,C,K分别标识质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵；
x分别表示加速度项、速度项、位移项；F表示极限载荷。在极端阵风发生过程中，通过降低阵风上升、风向突变时的发电机转矩可以有效的降低支撑结构的加速度、速度和位移，从而降低极限载荷的发生。
进一步的，风电机组的变桨和转矩PI控制遵循公式
x为发电机转速误差，y为叶片桨距角或发电机转矩调节量，s：拉普拉斯算子，Kp为PI控制器的比例增益、KI为PI控制器的积分增益，目前风电机组的控制器大都采用PI控制器，即变桨控制、转矩控制和解耦控制调节采用本步骤所述的公式。为保证机组在各种工况下可以保证稳定的功率输出、安全的载荷值、快速的控制响应等，风电机组为满足各种工况条件，其控制逻辑中的PI增益即Kp、KI在机组设计阶段时已调整好，Kp主要影响控制的响应速度，Ki主要作用是消除稳态误差，提高精度。本发明不影响原风电机组控制系统内的变桨控制Kp和KI、解耦控制Kp和KI、转矩控制Kp和KI不变，在满足触发条件时，降低原控制模式下的发电机转矩Nx，本发明的控制模式持续时间为T控＜10s，其中发电机转矩的变量ΔTi采用参考控制表进行取值。
在本实施例中，通过仿真软件进行仿真计算，包括以下步骤：
采集某时刻发电机转矩信号、风轮转速信号和风向信号并计算风向信号的导数；接着降低风电机组中发电机的转矩，记录仿真风电机组的极限载荷，
重复上述步骤，比较得出某时刻风向信号、风向信号导数、发电机转矩信号和风轮转速信号中最小风电机组极限载荷下的发电机转矩变量；
依次重复上述步骤，收集每个时刻的风向信号、风向信号导数、发电机转矩信号和风轮转速信号中最小风电机组极限载荷下的发电机转矩变量；
当实际风电机组出现极端条件时，根据风向信号、风向信号导数、发电机转矩信号和风轮转速信号确定发电机转矩变量，根据发电机转矩变量降低发电机实际转矩，从而降低风电机组的极限载荷。
具体的，S1：定义风电机组的极端条件，即时刻t时，风速V1在时间T内增加ΔV，同时风向变化Δθ；
S2：风电机组必须采集实时的风向信号θx、风速信号Vx、风轮转速信号Ωx、发电机转矩信号Nx、轴向机舱振动加速度acc，采集风向信号的周期与轴向机舱振动加速度acc、风轮转速信号Ωx和发电机转矩信号Nx的采集周期相同；
S3：若i时刻风向信号θx_i的导数
且同时刻风速信号Vx_i的导数dVx_i>1.5、轴向机舱振动加速度acc>0、风轮转速信号导数dΩx>0、发电机转矩信号Nx导数dNx>0，触发本发明控制方法；
S4：收集每个时刻的风向信号、风向信号导数、发电机转矩信号和风轮转速信号，每个时刻的风向信号、风向信号导数、发电机转矩信号和风轮转速信号为独立的参考值，每个时刻中最小风电机组极限载荷下的发电机转矩变量为参考变化量；
收集若干个参考值和每个参考值对应的参考变化量构成参考控制表，所述参考控制表用于实际控制风电机组时，提供发电机转矩变量；
当实际风电机组出现极端条件时，根据实际风电机组的风向信号、风向信号导数、发电机转矩信号和风轮转速信号对应参考控制表中的参考值，确定对应的参考变化量，根据参考变化量确定发电机实际转矩值，完成风电机组的极限载荷控制，重新进入原控制模式。
参考控制表如下所示：
S5：根据实际风电机组的风向信号θx、风向信号导数dθx、发电机转矩信号Nx和风轮转速信号Ωx，上述表格中确定ΔTi的具体值，根据如下公式计算发电机需降至的转矩值Ti：
Ti＝Nx_i-ΔTi
持续时间T控后，退出本发明极端阵风控制模式，重新进入原控制模式。
在本实施例中，在本发明控制方法设计仿真过程中，应保证机组的转速不会超过风电机组的超速保护值N4或者振动过大停机。
由于突遇阵风，风速增加导致推力增加、叶片变形增大，降低转矩负载可以有效减小支撑结构的动态结构响应，对抑制净空和极限载荷有较好的效果。
为了使本发明的技术方案和实施更易于理解，结合实施例进行具体阐述。
以某1.5MW机组为例，在极端阵风情况下采用权威认证的风电机组载荷仿真计算软件GH Bladed进行极限载荷仿真，触发极限阵风控制模式；其中在如图1所示，体现的极端阵风变化曲线情况下，原控制模式的控制逻辑如图2所示；当触发极限阵风控制模式时，如图3、图4、图5、图6、图7和图8所示，从仿真结果来看，通过新控制方式，可以使叶根极限载荷Mxy降低5.8％,旋转轮毂坐标系下的极限载荷Myz降低7.3％，偏航轴承位置处的Mxy降低2.71％，塔顶振动位移减小4.17％。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求所述的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种风电机组极端条件下的极限载荷控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
采集某时刻发电机转矩信号、风轮转速信号和风向信号并计算风向信号的导数；接着降低风电机组中发电机的转矩，记录仿真风电机组的极限载荷，
重复上述步骤，比较得出某时刻风向信号、风向信号导数、发电机转矩信号和风轮转速信号中最小风电机组极限载荷下的发电机转矩变量；
依次重复上述步骤，收集每个时刻的风向信号、风向信号导数、发电机转矩信号和风轮转速信号中最小风电机组极限载荷下的发电机转矩变量；
当实际风电机组出现极端条件时，根据风向信号、风向信号导数、发电机转矩信号和风轮转速信号确定发电机转矩变量，根据发电机转矩变量降低发电机实际转矩，从而降低风电机组的极限载荷；
根据风向信号、风向信号导数、发电机转矩信号和风轮转速信号确定发电机转矩变量需通过触发条件启动，所述触发条件包括在i时刻风向信号θx_i的导数
且同时刻风速信号Vx_i的导数dVx_i>1.5、轴向机舱振动加速度acc>0、风轮转速信号导数dΩx>0、发电机转矩信号Nx导数dNx>0。
2.根据权利要求1所述的一种风电机组极端条件下的极限载荷控制方法，其特征在于，轴向机舱振动加速度acc、风轮转速信号Ωx和发电机转矩信号Nx的采集周期与风向信号θx和风速信号Vx的采集周期相同。
3.根据权利要求1所述的一种风电机组极端条件下的极限载荷控制方法，其特征在于，依次重复上述步骤，收集每个时刻的风向信号、风向信号导数、发电机转矩信号和风轮转速信号中最小风电机组极限载荷下的发电机转矩变量的具体步骤如下：
依次重复上述步骤，收集每个时刻的风向信号、风向信号导数、发电机转矩信号和风轮转速信号，每个时刻的风向信号、风向信号导数、发电机转矩信号和风轮转速信号为独立的参考值，每个时刻中最小风电机组极限载荷下的发电机转矩变量为参考变化量；
收集若干个参考值和每个参考值对应的参考变化量构成参考控制表，所述参考控制表用于实际控制风电机组时，提供发电机转矩变量。
4.根据权利要求3所述的一种风电机组极端条件下的极限载荷控制方法，其特征在于，所述当实际风电机组出现极端条件时，根据风向信号、风向信号导数、发电机转矩信号和风轮转速信号确定发电机转矩变量，根据发电机转矩变量降低发电机实际转矩，从而降低风电机组的极限载荷的具体步骤如下：
当实际风电机组出现极端条件时，根据实际风电机组的风向信号、风向信号导数、发电机转矩信号和风轮转速信号对应参考控制表中的参考值，确定对应的参考变化量，根据参考变化量确定发电机实际转矩值，完成风电机组的极限载荷控制，重新进入原控制模式。
5.根据权利要求1所述的一种风电机组极端条件下的极限载荷控制方法，其特征在于，依次重复上述步骤，收集每个时刻的风向信号、风向信号导数、发电机转矩信号和风轮转速信号中最小风电机组极限载荷下的发电机转矩变量，还包括直至风电机组的转速达到风电机组的超速保护值N4停止。
6.根据权利要求1所述的一种风电机组极端条件下的极限载荷控制方法，其特征在于，调节发电机实际转矩的公式如下：
Ti＝Nx_i-ΔTi
式中：Ti为调节完成的发电机实际转矩值，Nx_i为原控制模式下发电机转矩值，ΔTi为发电机转矩变量。
7.根据权利要求1所述的一种风电机组极端条件下的极限载荷控制方法，其特征在于，所述风电机组的极端条件为在时刻t时，风速V1在时间T内增加ΔV，同时风向变化Δθ，T、ΔV和Δθ均需根据标准定义。
8.根据权利要求1所述的一种风电机组极端条件下的极限载荷控制方法，其特征在于，根据发电机转矩变量降低发电机实际转矩，从而降低风电机组的极限载荷，还包括持续时间T控后，风电机组恢复原控制模式，所述时间T控＜10s。
9.根据权利要求1所述的一种风电机组极端条件下的极限载荷控制方法，其特征在于，所述风电机组极端条件下极限载荷控制方法通过GH Bladed仿真计算软件进行极限载荷仿真。
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